DE102010008044B4

DE102010008044B4 - MEMS-Mikrofon und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102010008044B4
Application number: DE102010008044.6A
Authority: DE
Inventors: Pirmin Hermann Otto Rombach
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: US9133016B2; JP5692878B2; KR101774072B1; US20140145276A1; US8664733B2; KR20120139744A; JP2013520118A; DE102010008044A1; WO2011101291A1; US20120326249A1

Abstract

Mikrofon in miniaturisierter MEMS Bauweise – mit einem Silizium umfassenden Substrat (SU) und einem darauf angeordneten strukturierten Schichtaufbau, – wobei der Schichtaufbau übereinander angeordnete Teilschichten für die folgenden Funktionsschichten umfasst: – eine untere Festelektrode (FE1), darüber – eine Membran (M) und darüber – eine obere Festelektrode (FE2), – bei dem die Membran flächenmäßig aufgeteilt ist in – einen äußeren Randbereich – einen frei schwingenden Bereich, der vom äußeren Randbereich vollständig umschlossen ist, und in dem die Membran plan ausgebildet ist – einen Ankerbereich (AA) innerhalb des äußeren Randbereichs, in dem die Membran zwischen unterer und oberer Festelektrode vertikal fixiert ist, – einen Anschlussbereich innerhalb des äußeren Randbereichs, in dem eine elektrische Zuleitung zur Membran angeordnet ist, und – bei dem durch das Substrat hindurch unter dem gesamten freischwingenden Bereich eine Durchbrechung (DB) angeordnet ist und bei dem der Ankerbereich außerhalb des Flächenbereichs der Durchbrechung und über einem inneren Randbereich des Substrats angeordnet ist, – bei dem die Membran im Ankerbereich eine erste Ausbuchtung aufweist, mit der sie sich auf der unteren Festelektrode abstützt, und bei dem die obere Festelektrode im Ankerbereich eine zweite Ausbuchtung aufweist, mit der sich die obere Festelektrode auf der Membran abstützt.

Description

Für Kommunikationsanwendungen werden zunehmend MEMS-Mikrofone (MEMS = micro electro mechanical system) eingesetzt, die mittels mikromechanischer Abscheide- und Strukturierungsprozesse auf insbesondere kristallinen Substraten aufgebaut werden können. Die Mikrofone weisen eine Festelektrode und eine im Abstand dazu angeordnete, durch Schall auslenkbare Membran auf, wobei der Grad der Auslenkung beziehungsweise der sich verändernde Abstand zwischen Festelektrode und Membran elektrisch ausgelesen werden kann. Zumeist funktionieren diese MEMS-Mikrofone nach dem Kapazitätsprinzip, bei dem die Kapazität zwischen Festelektrode und Membran ausgelesen wird, die sich mit der Auslenkung der Membran ändert.
MEMS-Mikrofone können einfach und kostengünstig hergestellt werden, haben jedoch üblicherweise den Nachteil einer geringen Sensitivität. Darüber hinaus können sie gegenüber zu hohen Schalldrucken empfindlich sein.
In einem Artikel von P. Rombach, M. Müllenborn, U. Klein und K. Rasmussen: „The first voltage, low noise differential silicon microphone, technology development and measurement results” in Sensors and Actuators A3124 (2001), Seiten 1 bis 6, wird erstmals ein auf dem Kapazitätsprinzip basierendes MEMS-Mikrofon beschrieben, bei dem die Membran symmetrisch zwischen zwei Festelektroden angeordnet ist. Dieses Mikrofon kann nun differenziell betrieben werden und kann daher prinzipiell ein doppeltes Signal liefern, mit dem sich ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und eine höhere Sensitivität einstellen lässt. Nachteilig an diesem vorgestellten Mikrofon ist das dort vorgeschlagene komplizierte und aufwendige Herstellungsverfahren, das eine sichere Reproduktionsfähigkeit und damit eine Massenfertigung erschwert.
In einem Artikel ”A Micromachined Dual-Backplate Capacitive Microphone for Aeroacoustic Measurements” von David T. Martin et al. im Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 16, Nr. 6, 2007, S. 1289–1302 ist ein MEMS Mikrophon beschrieben, das zwei Festelektroden und eine dazwischen angeordnete Membran aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein bezüglich seiner Mikrofoneigenschaften verbessertes MEMS-Mikrofon anzugeben, welches sich einfach und ohne unzulässig erhöhten Verfahrensaufwand mit doppelter Festelektrode herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrofon nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrofons sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Es wird ein Mikrofon in MEMS-Bauweise angegeben, welches auf einem Substrat aufgebaut ist, welches zumindest Silizium umfasst. Auf dem Substrat ist ein strukturierter Schichtaufbau angeordnet, der verschiedene für die Funktionen des Mikrofons erforderliche Funktionsschichten aufweist: Eine untere Festelektrode, darüber eine Membran und darüber eine obere Festelektrode. Jede der Funktionsschichten kann eine oder mehrere Teilschichten umfassen. Zumindest eine der Teilschichten ist jeweils elektrisch leitend ausgebildet.
Die Membran ist in verschiedene Flächenbereiche aufgeteilt, denen unterschiedliche Funktionen zukommen. So weist die Membran einen äußeren Randbereich auf, der einen frei schwingenden Bereich vollständig umschließt. Innerhalb des frei schwingenden Bereichs weist die Membran im Wesentlichen plane Oberflächen auf. Ein wesentlicher Anteil des äußeren Randbereichs wird von einem Ankerbereich gebildet, in dem die Membran zwischen unterer und oberer Festelektrode gegen eine vertikale Auslenkung fixiert ist. Vom Ankerbereich ausgespart verbleibt im äußeren Randbereich ein Anschlussbereich, in dem eine elektrische Zuleitung zur Membran angeordnet ist.
Im Substrat ist eine durch die gesamte Schichtdicke hindurch reichende Durchbrechung vorgesehen, in dem flächenmäßig der gesamten frei schwingende Bereich der Membran frei gelegt bzw. von unten durch das Substrat hindurch zugänglich ist. Der Ankerbereich der Membran ist vorzugsweise außerhalb der Durchbrechung über der Substratoberfläche beziehungsweise über einem inneren Randbereich des Substrat angeordnet.
Mit dieser Anordnung ist gewährleistet, dass die Membran vertikal zwischen den beiden Festelektroden fixiert ist, so dass eine symmetrische Anordnung zwischen den beiden Festelektroden stabilisiert ist und sich nach Auslenkung der Membran immer wieder einstellen kann. Nur so gelingt es, dass Auslenkungen der Membran aus der durch die Fixierung bestimmten Ruhelage an beiden Festelektroden zu einem gleich großen Signal führen beziehungsweise eine betragsmäßig gleich große Änderung der Kapazitätswerte liefert. Damit ist ein echtes differentielles Auslesen des Messwertes zumindest für kleine Auslenkungen möglich.
Das Messsignal setzt sich dabei aus den Kapazitätsänderungen einer ersten und einer zweiten Kapazität zusammen, die sich zwischen unterer Festelektrode und Membran beziehungsweise zwischen Membran und oberer Festelektrode ausbilden. Während des Betriebs wird jeder der beiden Kondensatoren durch eine DC-BIAS-Spannung „vorgespannt” wobei die beiden BIAS-Spannungen so angelegt werden, dass die sich aus den Kapazitätsänderungen ergebenden Spannungsänderungen einander entgegengesetzt wirken und sich somit in einem Differenzverstärker positiv aufaddieren.
Mit der beschriebenen Fixierung der Membran im Ankerbereich wird verhindert, dass die Membran in Folge der nicht 100-prozentig symmetrischen elektrostatischen Kräfte, die Membran durch einseitig wirkende elektrostatische Kräfte aus der symmetrischen Ruhelage ausgelenkt wird. damit wird auch garantiert, dass bei der Auslenkung durch einen Schalldruck bereits ein maximales Signal ausgelesen werden kann.
Das Mikrofon weist ein verbessertes SNR ratio (Signal-Rausch-Verhältnis) auf, das bis zu 3 dB verbessert sein kann. Diese ermöglicht es, entweder das Mikrofon bei gleicher Empfindlichkeit auf geringerer Chipfläche auszubilden oder bei gleich bleibender Chipfläche mit höherer Empfindlichkeit zu versehen.
Die differenzielle Auslesung des Messsignals ermöglicht darüber hinaus eine Elimination von Störungen, sofern sie sich symmetrisch auf beide Kapazitäten auswirkt. Die Sensitivität kann zudem durch eine entsprechend großflächig ausgebildete Membran so weit gesteigert werden, dass das erfindungsgemäße MEMS-Mikrofon sogar für den High-End-Bereich geeignet ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind alle Teilschichten des Schichtaufbaus direkt übereinander als Schichtverbund erzeugt, wobei die Membran zumindest im Ankerbereich im ursprünglichen Schichtverbund fixiert ist. Dieser Schichtverbund kann weitere Schichten umfassen, die nicht Teilschichten der Funktionsschichten sind. Die Fixierung der Membran im Ankerbereich kann daher zwischen Teilschichten der benachbarten Funktionsschichten oder zwischen Teilschichten der Membran und anderen von den genannten Funktionsschichten verschiednen Schichten erfolgen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Membran im Ankerbereich eine erste Ausbuchtung auf, mit der sie sich auf der unteren Festelektrode abstützt. Mit dieser Ausbuchtung weist die Membran in einem quer zur Schichtebene betrachteten Querschnitt ein Höhenprofil auf, das neben dem im Wesentlichen plan ausgebildeten, frei schwingenden Bereich die zumindest eine Ausbuchtung aufweist. Die Ausbuchtung ist so gestaltet, dass sie als Abstandshalter der Membran zur unteren Festelektrode dient. Möglich ist es jedoch auch, dass zwischen dem unteren Ende der Ausbuchtung und der Festelektrode noch eine nicht zu den Funktionsschichten zählende Teilschicht im Schichtverbund angeordnet ist.
Im Bereich der Ausbuchtung können die Teilschichten im ursprünglichen Schichtverbund erhalten sein und daher die durch den Aufbau des Schichtverbunds bewirkten Schichtzusammenhalt aufweisen. Möglich ist es jedoch auch, dass die Membran mit der Ausbuchtung nur lose auf der unteren Festelektrode aufsitzt.
Zusätzlich kann die obere Festelektrode im Ankerbereich der Membran eine zweite Ausbuchtung aufweisen, mit der sich die obere Festelektrode auf der Membran abstützt. Auch diese zweite Ausbuchtung dient als Abstandshalter, hier zwischen Membran und oberer Festelektrode. Auch die zweite Ausbuchtung kann im ursprünglichen Schichtverbund fixiert sein, bei dem die Teilschichten durch direktes Abscheiden aufeinander fest miteinander verbunden sind. Die zweite Ausbuchtung kann aber auch nur lose auf der unteren Festelektrode aufliegen.
Mit Hilfe von ersten und zweiten Ausbuchtungen kann im Ankerbereich eine sichere vertikale Fixierung der Membran erreicht werden. Liegen die ersten und zweiten Ausbuchtungen nur lose auf den jeweils benachbarten Funktionsschichten auf, so ist die Membran zwar vertikal fixiert aber lateral frei beweglich. Dies ermöglicht eine laterale Bewegung der Membran, die insbesondere die Auslenkung der Membran bei einwirkendem Schalldruck unterstützt. Auf diese Weise gelingt es, die Kennlinie des Mikrofons in gewünschter Weise zu verändern.
Außerhalb des Randbereichs und an diesen angrenzend ist ein Einschnitt durch die die Membran bildenden Teilschichten angeordnet, der die Größe der Membran definiert und den aktiven Bereich galvanisch von weiter außen liegenden Flächenbereichen der die Membran bildenden Teilschichten trennt. Lediglich im Anschlussbereich ist eine leitende Verbindung innerhalb zumindest einer Teilschicht der Membran zu einem außerhalb des aktiven Bereichs angeordneten Kontakt vorgesehen.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung sind außerhalb des vom Einschnitt umschlossenen aktiven Bereichs Isolationsschichten zwischen unterer Festelektrode und Membran sowie zwischen Membran und oberer Festelektrode angeordnet. Diese Isolationsschichten können insbesondere aus Siliziumdioxid SiO₂ ausgebildet sein.
Elektrisch leitende Teilschichten der Funktionsschichten können aus Polysilizium ausgebildet sein, welches dann vorzugsweise leitfähig dotiert ist. Die Polysiliziumschichten können mit einer p- oder n-Dotierung versehen sein und beispielsweise mit Bor oder Phosphor hoch dotiert sein. Möglich sind jedoch auch andere Dotierstoffe in der Polysiliziumschicht, soweit sie diese mit einer geeigneten Leitfähigkeit versehen können.
Weitere Teilschichten der Funktionsschichten sind insbesondere Siliziumnitridschichten, die sowohl als elektrische Isolationsschichten als auch als mechanische Stabilisierungsschichten dienen können. So weist die untere Festelektrode in einer bevorzugten Ausführungsform eine Doppelschicht aus einer Siliziumnitridschicht und einer Polysiliziumschicht auf.
Die Membran weist vorzugsweise einen symmetrischen Aufbau auf, der eine gleichmäßige Auslenkung in beide Richtunge unterstützt und die mechanische Stabilität der Membran erhöht. Der symmetrische Aufbau besteht daher insbesondere aus drei Teilschichten, bei denen die genannte hoch dotierte Polysiliziumschicht beiderseits von je einer Siliziumnitridschicht benachbart ist.
Auch die obere Festelektrode kann eine oder mehrere Teilschichten aufweisen, besteht in der einfachsten Ausführung aber aus einer leitfähigen Schicht als einzige Teilschicht, insbesondere aus einer Polysiliziumschicht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons angegeben. Dieses Verfahren zeichnet sich gegenüber dem bekannten in dem eingangs genannten Artikel von P. Rombach et al. beschriebenen Verfahren dadurch aus, sämtliche Teilschichten des Schichtaufbaus und des Schichtverbunds sequenziell übereinander aufgebracht und von oben, also nur von einer Seite her strukturiert werden. Nur das Substrat wird nach der Herstellung des Substrataufbaus von unten geätzt, um die Durchbrechung unterhalb des frei schwingenden Bereichs zu erzeugen.
Gleichzeitig von oben und unten dagegen werden Opferschichten geätzt, die im ursprünglichen Schichtverbund zwischen den Funktionsschichten erzeugt sind. Die Opferschichten werden zumindest im frei schwingenden Bereich der Membran in den Schichtbereichen zwischen der Membran und den beiden Festelektroden entfernt, so dass mit dem dadurch geschaffenen Freiraum der nötige Abstand der Funktionsschichten zueinander gewährleistet ist.
Das Verfahren weist insbesondere die folgenden Schritte auf:

a) Auf einem Substrat werden übereinander eine oder mehrere Teilschichten für eine untere Festelektrode abgeschieden.
b) Die Teilschichten der unteren Festelektrode werden durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert.
c) Über der unteren Festelektrode wird eine zweite Isolationsschicht konform abgeschieden, die daraufhin z. B. in einem Polierschritt planarisiert wird. Ebenso werden eine oder mehrere Teilschichten für eine Membran abgeschieden.
d) Die Teilschichten der Membran werden durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert.
e) Über der Membran werden eine dritte Isolationsschicht sowie zumindest eine oder mehrere Teilschichten für eine obere Festelektrode abgeschieden.
f) Die zumindest eine Teilschicht der oberen Festelektrode wird durch eine lithographisches Ätzverfahren strukturiert.
g) Über der oberen Festelektrode wird eine vierte Isolationsschicht erzeugt.
h) Es werden Kontaktlöcher zu elektrisch leitenden Teilschichten von unterer Festelektrode, Membran und oberer Festelektrode, sowie zum Substrat geätzt und anschließend darin Kontakte erzeugt.
i) Durch das Substrat hindurch wird unterhalb eines aktiven Bereichs der Membran eine durchgehende Durchbrechung geätzt.
j) Die als Opferschichten dienenden Isolationsschichten werden im aktiven Bereich durch isotropes Nassätzen entfernt.

Die erste Isolationsschicht kann so gewählt werden, dass sie als Ätzstoppschicht für das Ätzen der Durchbrechung dienen kann, die von der dem Schichtaufbau gegenüberliegenden Oberfläche des Siliziumsubstrats durchgeführt wird. Die zweite und die dritte Isolationsschicht werden vorzugsweise als Opferschicht ausgebildet, die während des Verfahrensschritts j) im aktiven Bereich durch Ätzen entfernt werden. Die vierte Isolationsschicht dient insbesondere als Schutz der oberen Festelektrode während der Herstellung der Kontaktlöcher, während der Herstellung der Kontakte in den Kontaktlöchern, während der Ätzung der Durchbrechung des Siliziumsubstrats und nicht zuletzt während der Entfernung der durch die zweite und die dritte Isolationsschicht gebildeten Opferschichten. Ein bevorzugtes Material für sämtliche Isolations- und Opferschichten ist Siliziumoxid, welches in einem LPCVD-Verfahren (Niederdruck-CVD-Verfahren) (CVD = chemical vapour deposition) aufgebracht werden können. Prinzipiell sind jedoch auch ander Isolationsschichten und Opferschichten geeignet, insbesondere wenn sie sich slektiv ätzen lassen.
Für die einfachste Ausführung des angegebenen MEMS-Mikrofons werden sämtliche Teilschichten des Schichtverbundes ganzflächig auf jeweils planer oder planarisierter Oberfläche aufgebracht. Jede der Funktionsschichten wird nach der Aufbringung strukturiert, wobei die Strukturierung für sämtliche Teilschichten einer Funktionsschicht mit dem gleichen Verfahren durchgeführt werden kann. Insbesondere können dazu anisotrop wirkende reaktive Ionenätzverfahren (RIE-Verfahren) eingesetzt, die so eingestellt sein können, dass sie eine Selektivität gegenüber den jeweils darunter angeordneten Isolationsschichten aufweisen. So gelingt es, die Strukturierung bis zur jeweils darunter liegenden Isolationsschicht glatt und mit hohem Aspektverhältnis durchzuführen.
Obere und untere Festelektrode werden bei der Strukturierung flächenmäßig begrenzt und im aktiven Bereich mit einem Muster von durchgehenden Löchern versehen, die später das Entfernen der Opferschichten ermöglichen und die Kanäle für den Schalldurchlass zur Membran während des Betriebs des Mikrofons ausbilden.
Nach dem Strukturieren aller Teilschichten einer Funktionsschicht wird die nächste Isolationsschicht kantenbedeckend aufgebracht, vorzugsweise wieder in einem LPCVD-Verfahren, wobei als Isolationsschicht vorzugsweise aus TEOS (TEOS = Tetraethylorthosilicat = Si(OC₂H₅)₄) erzeugtes SiO₂ verwendet wird. Die Oberfläche der zweiten Isolationsschicht, die durch die darunter liegende strukturierte Festelektrode und das kantenbedeckende Aufbringverfahren uneben ist, wird in einem Planarisierungsverfahren eingeebnet, wozu insbesondere ein mechanisch oder ein chemisch-mechanisches Verfahren (zum Beispiel CMP = chemical mechanical polishing) eingesetzt werden kann. Anschließend kann eine gewünschte Schichtdicke der zweiten Isolationsschicht über der unteren Festelektrode durch Abscheiden einer weiteren Teilschicht eingestellt werden.
Die auf dementsprechend ebener Oberfläche aufgebrachte Membran weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine plane Oberfläche auf, so dass eine darüber abgeschiedene dritte Isolationsschicht nicht planarisiert zu werden braucht. Die Unebenheiten, die durch den Strukturierungsrand nach der Strukturierung der Membran auftretenden Unebenheiten betreffen nur noch solche Bereiche, denen keine Funktion im Mikrofon zugeordnet ist, so dass dort auch keine strikte Parallelität der Teilschichten beziehungsweise Parallelität der entsprechenden Oberflächen erforderlich ist.
Die Teilschichten der Funktionsschichten werden so strukturiert, dass die nach der Strukturierung verbleibenden Flächenbereiche mit maximaler gegenseitiger Überlappung übereinander zu liegen kommen. Die nach der Strukturierung verbleibenden Flächen der Funktionsschichten nehmen von unten nach oben ab, so dass Membran und obere Festelektrode jeweils vollständig innerhalb des verbleibenden Flächenbereichs der darunter liegenden Funktionsschicht angeordnet sind. Auf diese Weise gelingt es, Kontaktlöcher zu den jeweiligen Funktionsschichten an Stellen vorzusehen, die nicht von einer darüber liegenden Funktionsschicht abgedeckt sind. Die Die vollständige bzw. maximale Überlappung garantiert auch ein maximales Signal und für den Schichtaufbau bzw. den Schichtverbund eine maximale mechanische Stabilität.
Gemäß dieser Ausführung sind sämtliche Teilschichten sämtlicher Funktionsschichten plan und damit parallel zueinander angeordnet. Im Ankerbereich und in den außerhalb davon liegenden Schichtbereichen der Funktionsschichten ist der ursprüngliche Schichtverbund erhalten, das sowohl in diesem äußeren Bereich als auch im Ankerbereich die durch die sequenzielle Abscheidung der Teilschichten direkt übereinander erreichte Schichtverbundsfestigkeit erhalten, die dort den gesamten Aufbau stabilisiert. In dieser Ausführung gelingt es auch in einfacher Weise, jede der Funktionsschichten genau mit einem gewünschten mechanischen Stress herzustellen, der für die optimale Funktion und insbesondere für die Deformation der Funktionsschichten während des Betriebs des Mikrofons von entscheidender Bedeutung ist.
Der aktive Bereich des Mikrofons wird durch die Fläche bestimmt, die innerhalb des genannten Einschnitts durch die Teilschichten der Membran liegen und innerhalb der eine Überlappung mit der normalerweise flächenmäßig größeren unteren Festelektrode sowie der oberen Festelektrode stattfindet. Die Größe der Fläche des aktiven Bereichs bestimmt neben dem Abstand den Kapazitätswert, den die Membran zu den beiden Festelektroden jeweils ausbildet.
Nach der Strukturierung der oberen Festelektrode werden die Kontaktlöcher zu elektrisch leitenden Teilschichten einer jeden Funktionsschicht erzeugt. Dazu wird eine Lithographie durchgeführt und die Kontaktlöcher bis zur gewünschten Tiefe geätzt. Es kann wieder ein RIE Verfahren eingeseetzt werden, welches die Isolationsschichten selektiv gegen die Funktionsschichten ätzt. Im Fall der Membran kann deren oberste Teilschicht, die insbesondere eine Siliziumnitridschicht ist, mit einem anschließenden separaten Ätzschritt im Bereich des Bodens des Kontaktlochs entfernt werden.
Die Kontakte selbst werden bevorzugt aus drei Teilschichten aufgebaut. Zunächst wird ganzflächig eine Grundmetallisierung z. B. in einem PVD Prozess (PVD – Physical Vapour Deposition, z. B. Sputtern oder Aufdampfen) abgeschieden und anschließend außerhalb der Kontaktlöcher wieder entfernt, beispielsweise in einem lithographischen Ätzprozess.
Durch vorzugsweise stromloses Abscheiden aus einer flüssigen Phase (chemische Metallabscheidung) wird über der Grundmetallisierung eine Leitschicht aus einem elektrisch gut leitenden und gut abscheidbaren Metall erzeugt. Als Deckschicht wird selektiv darüber noch eine Deckschicht aufgebracht, die zur Passivierung der Leitschicht und zur Herstellung einer bond- und lötbaren Oberfläche dient.
Für die Grundmetallisierung ist Aluminium oder ein anderes auf Polysilizium gut haftendes Metall geeignet. Für die Leitschicht ist Nickel bevorzugt, während die Deckschicht ein Edelmetall wie z. B. Gold oder Platin umfasst.
Der nun fertig gestellte Schichtaufbau kann nun mit einem Resist abgedeckt werden und auf der Unterseite des Substrats eine Lithographie zur Definition der Durchbrechung durchgeführt werden. Lithographielack und Resist können das gleiche Material umfassen.
Die Durchbrechung kann dann mit einem anisotropen Ätzverfahren bis zur Freilegung der ersten Isolationsschicht geätzt werden. Gut geeignet ist ein DRIE (= deep reactive ion etching) Verfahren, auch als Bosch-Prozess bekannt, mit dem sich besonders hohe Aspektverhältnisse beim Ätzen durch das relativ dicke Substrat erhalten lassen. Steile bis senkrechte Seitenwände der Durchbrechung haben den Vorteil, dass sich so der Flächenbedarf des Chips, der für den Aufbau des Mikrofons erforderlich ist, minimieren lässt. Eine geringere Größe macht das Mikrofon vielseitiger verwendbar und verringert die Kosten. Bei gleicher Chipgröße lässt sich mit steilen Seitenwänden der Durchbrechung eine größere aktive Fläche und damit ein leistungsfähigeres Mikrofon realisieren.
Im nächsten Verfahrensschritt werden die Opferschichten im freischwingenden Bereich der Membran entfernt. Dazu wird ein isotropes Ätzverfahren eingesetzt, um die Opferschichten auch in abgeschatteten Bereiche zwischen den Festelektroden und der Membran vollständig zu entfernen. Gut geeignet ist z. B. ein VHF (vapour HF etch) Verfahren, das mit dampf- oder gasförmigem Fluorwasserstoff bzw. Flusssäure arbeitet. Dieses Ätzverfahren arbeitet selektiv gegen Siliziumdioxid und Siliziumnitrid, so dass entsprechende Teilschichten der Funktionsschichten davon nicht oder nur wenig angegriffen werden.
Das Entfernen der Opferschichten erfolgt nur freischwingenden Bereich, sodass der Randbereich, also der Ankerbereich und im Anschlussbereich der ursprüngliche Schichtverbund erhalten bleibt. So ist die Membran rundum in diesem Schichtverbund fixiert.
In diesem Schritt werden dann alle Schutzschichten und überflüssige Isolationsschichten von beiden Oberflächen des Substrats und des Schichtaufbaus entfernt.
In einem letzten Schritt können reaktive Oberflächen passiviert und mit unreaktiven Gruppen abgesättigt werden. Dazu ist z. B. das sogenannte SAM (= self assembling monolayer) Verfahren geeignet. Dabei werden einen langgestreckten Rest aufweisende Moleküle mittels einer reaktiven Gruppe an einem Ende des Moleküls an die reaktiven Oberflächen des Mikrofons angebunden und bilden dort eine Monolayer, also einen monomolekularen Film von der Dicke einer Moleküllänge. Das andere Ende des Rests ist chemisch inert und weist vorzugsweise auch wenig physikalische Wechselwirkungen zu anderen Materialien auf. Ist der Rest z. B. ein fluorierter Alkylrest, so richten sich die Reste mit den inerten Enden parallel zueinander und von der Oberfläche senkrecht abstehend aus. Dadurch wird die Oberfläche passiviert, kann nicht mehr oxidieren oder korrodieren und ist außerdem wasser- und staubabweisend.
Nun ist das Mikrofon einsatzbereit. Dazu kann es über die Kontakte mit einer entsprechenden Steuer- und Auswerteschaltung verbunden werden. Diese kann als ein separates Bauelement oder Modul realisiert sein. Möglich ist jedoch auch, zumindest Teile dieser Schaltung in den Halbleiterkörper des Silizium Substrat zu integrieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellt. Einzelne Teile können vergrößert oder in den Dimensionen verzerrt dargestellt sein. Daher sind den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein mit einem ersten Teilschichtaufbau beschichtetes Substrat,
2 einen Querschnitt durch diesen Aufbau mit einer strukturierten ersten Funktionsschicht darauf,
3 die Anordnung nach Kanten bedeckender Abscheidung einer Isolationsschicht,
4 die Anordnung nach Planarisierung,
5 die Anordnung nach Erzeugen einer zweiten Funktionsschicht,
6A und 6B zwei unterschiedliche Querschnitte der Anordnung nach der Strukturierung der zweiten Funktionsschicht,
7 die Anordnung nach der Erzeugung der dritten Funktionsschicht,
8 die Anordnung nach der Strukturierung der dritten Funktionsschicht,
9 die Anordnung nach der Erzeugung einer weiteren Isolationsschicht und dem Öffnen von Kontaktlöchern darin,
10 die Anordnung nach dem Erzeugen von Kontaktlöchern und Kontakten darin,
11 die Anordnung nach der Erzeugung einer Durchbrechung durch das Siliziumsubstrat,
12A und 12B verschiedene Querschnitte durch die Anordnung nach dem Entfernen der Opferschichten im frei schwingenden Bereich der Membran,
13A bis 13F verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines Mikrofons gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
14A und 14B zwei verschiedene Querschnitte durch ein fertiges Mikrofon gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
15A und 15B zwei verschiedene Querschnitte durch ein Mikrofon gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
16A und 16B zwei verschiedene Querschnitte durch ein Mikrofon gemäß einer weiteren Verfahrensvariante,
17A und 17B zwei verschiedene Querschnitte durch ein fertiges Mikrofon gemäß der ersten Variante,
18 eine Draufsicht auf eine Membran samt Isolationsschichten im Ankerbereich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
19 die Draufsicht auf eine Membran gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt im schematischen Querschnitt ein Substrat SU mit einem ersten Teilschichtaufbau, der eine erste Isolationsschicht ISI und zwei Teilschichten der unteren Festelektrode FE1 umfasst. Als Substrat dient beispielsweise Silizium, welches bei einer Dicke von ca. 400 μm eine geeignete Stabilität aufweist. Darüber wird in einem ersten LPCVD-Verfahren eine erste Isolationsschicht IS1 aufgebracht, beispielsweise eine 1 μm starke SiO₂-Schicht, die in einem TEOS-Verfahren abgeschieden wird.
Die erste Funktionsschicht ist die untere Festelektrode FE1, für die als erste Teilschicht FE11 eine oder mehrere Siliziumnitridschichten in einem LPCVD-Verfahren in einer Schichtdicke von beispielsweise 1 μm aufgebracht wird. Der Prozess wird so gesteuert, dass die Siliziumnitridschicht einen überstöchiometrischen Gehalt an Siliziumaufweist.
Als zweite Teilschicht FE12 der unteren Festelektrode dient eine oder mehrere Polysiliziumschichten, die ebenfalls in einem LPCVD-Verfahren aufgebracht wird. Während des Aufbringens wird die Polysiliziumschicht FE12 in situ mit einem n- oder einem p-Dotierstoff (z. B. Bor oder Phosphor) hochdotiert, also mit einer B++ oder P++ Dotierung versehen. 1 zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Wie zu sehen ist, ist das Substrat SU aufgrund des gewählten Beschichtungsverfahrens außer auf der Oberseite mit dem Schichtaufbau auch auf der Unterseite des Substrats SU mitbeschichtet. Es ist zum Einen nicht erforderlich, auf der Unterseite eine Beschichtung vorzunehmen, ebenso wenig ist es aber erforderlich, die Unterseitenbeschichtung zu verhindern, da sich spätere Ätzschritte anschließen, bei denen diese Schichten von der unteren Substratoberfläche weder entfernt werden können. Teilweise ist die Unterseitenbeschichtung sogar vorteilhaft, da auf diese Weise das Substrat SU während thermischer Prozesse bei der Schichtabscheidung mit weniger Spannung beaufschlagt wird. So wird ein unsymmetrischer Schichtaufbau vermieden und eine geringere Verspannung erzeugt.
2 zeigt die Anordnung nach der Strukturierung der unteren Festelektrode FE1. Der Einfachheit halber ist die Festelektrode nur noch als einheitliche Funktionsschicht dargestellt, umfasst aber nach wie vor die beiden Teilschichten FE11 und FE12 (siehe 1). Zur Strukturierung wird ein Fotolack aufgebracht, entwickelt und unerwünschte Schichtbereiche der unteren Festelektrode FE1 entfernt. Insbesondere wird die untere Festelektrode flächenmäßig begrenzt und im frei schwingenden Bereich mit Löchern LO versehen, die zum einen als Schallöffnungen dienen und zum anderen den Zutritt des Ätzmittels beim späteren Entfernen der Opferschicht ermöglichen.
Die Strukturierung der unteren Festelektrode FE1 gelingt beispielsweise mit einem RIE-Ätzprozess.
3 zeigt die Anordnung nach der Kanten bedeckenden Aufbringung einer weiteren Isolationsschicht IS. Dies erfolgt wieder in einem TEOS-Prozess in einem LPCVD-Verfahren. Die Schichtdicke dieser weiteren Isolationsschicht wird so bemessen, dass zum Einen die Löcher LO vollständig mit Siliziumoxid zuwachsen und zum Anderen die Gesamthöhe der Isolationsschicht zumindest das Niveau der Oberseite der unteren Festelektrode FE1 erreicht. Im gewählten Beispiel sind dazu 2,2 μm für die weitere Isolationsschicht geeignet.
Die weitere Isolationsschicht IS und erste Isolationsschicht IS1 verbinden sich aufgrund gleicher Abscheidebedingungen zu einer homogenen Schicht, was in der Figur dadurch verdeutlicht ist, dass keine Abgrenzung zwischen erster und weiterer Isolationsschicht mehr dargestellt ist.
4 zeigt die Anordnung nach einem Planarisierungsprozess, bei dem die Isolationsschicht IS von oben bis auf das Niveau der oberen Teilschicht FE12 der unteren Festelektrode FE1 abgeschliffen wird. Dazu kann beispielsweise ein CMP-Verfahren eingesetzt werden.
5 zeigt die Anordnung nach der Abscheidung einer zweiten Isolationsschicht IS2 und dreier Teilschichten für die Membran M. Die zweite Isolationsschicht IS2 wird wieder als SiO₂-Schicht in einem TEOS-LPCVD-Verfahren in einer Schichtdicke von beispielsweise 2 μm aufgebracht. Für die Membran M wird zunächst eine erste Teilschicht TSM1 als siliziumreiche Siliziumnitridschicht in einem LPCVD-Verfahren in einer Schichtdicke von beispielsweise 120 nm aufgebracht. Darüber wird als zweite Teilschicht TSM2 eine zirka 300 nm dicke Polysiliziumschicht aufgebracht, und dabei mit einem Dotierstoff in situ hochdotiert was wiederum in einem LPCVD-Verfahren erfolgen kann. Die oberste und dritte Teilschicht TSM3 der Membran M ist wieder eine 120 nm dicke Siliziumnitridschicht, die in bekannter Weise aufgebracht wird. Der im Querschnitt symmetrische Aufbau der Membran verhindert, dass sich die Teilschichten unsymmetrisch verspannen und die Membran sich nach dem Freiätzen aufgrund der Verspannung verbiegt.
6A zeigt einen ersten Querschnitt durch die Anordnung nach der Strukturierung der Membran. Dazu wird eine Lithografie durchgeführt und die Strukturierung in einem RIE-Ätzverfahren durchgeführt, welches zur Ätzung von Polysilizium und Siliziumnitrid ausgebildet ist. Gegebenenfalls können die beiden Schichten durch kontinuierliche Veränderung der Ätzatmosphäre bei unterschiedlichen Bedingungen geätzt werden. Bei der Strukturierung wird die Membran M insbesondere flächenmäßig begrenzt und der frei schwingende Bereich durch Erzeugen von Einschnitten SL definiert.
6B zeigt einen Querschnitt, in dem die Membran von den Einschnitten SL umgrenzt ist beziehungsweise als die Fläche zwischen den Einschnitten definiert ist. Ein Teil der Schichtbereiche außerhalb der von den Einschnitten SL umgrenzten Fläche verbleibt für den Schichtverbund im Außenbereich, der den Gesamtaufbau des Mikrofons mechanisch stabilisiert und stützt.
6A zeigt einen Querschnitt durch den Anschlussbereich der Membran, in dem die Teilschichten der Membran aus dem frei schwingenden Bereich hinausgeführt werden, um eine Zuleitung für einen späteren einen Kontakt zu schaffen.
7 zeigt die Anordnung nach dem Abscheiden zumindest einer weiteren Isolationsschicht IS und der oberen Festelektrode FE2. Eine Planarisierung ist aufgrund der geringen Strukturbreite des Einschnitts SL hier nicht erforderlich. Dazu wird zunächst eine dritte Isolationsschicht in Form einer 2 μm starken SiO₂-Schicht in einem TEOS-LPCVD-Verfahren auf die Membran M aufgebracht. Für die obere Festelektrode FE2 wird eine zirka 3 μm dicke Polysiliziumschicht in einem LPCVD-Verfahren auf die 3. Isolationsschicht IS3 aufgebracht und dabei in situ hochdotiert. Da alle Abscheideprozesse mit nur geringer Anisotropie und daher Kanten bedeckend geführt sind, folgen übereinander aufgebrachte Teilschichten jeweils der Topografie der Oberfläche, auf der sie abgeschieden werden.
8 zeigt die Anordnung nach der Strukturierung der oberen Festelektrode FE2, die wiederum lithographisch unterstützt mittels eines RIE-Ätzverfahrens durchgeführt werden kann, das auf das Ätzen von Polysilizium eingestellt ist. Dabei dient die dritte Isolationsschicht IS3 als Ätzstoppschicht.
Die obere Festelektrode FE2 überlappt den aktiven Bereich und wird so strukturiert, dass sie flächenmäßig größer ist als der durch die Einschnitten SL definierte Bereich der Membran. Im frei schwingenden Bereich die obere Festelektrode FE2 ebenfalls mit Löchern LO versehen, die denselben bereits erwähnten Zweck wie die Löcher in der unteren Festelektrode FE1 erfüllen.
Im nächsten Schritt wird eine weitere Isolationsschicht IS über der strukturierten oberen Festelektrode aufgebracht, beispielsweise eine 300 nm dicke SiO₂-Schicht, die in einem TEOS-LPCVD-Verfahrens aufgebracht wird. Diese deckt die strukturierte obere Festelektrode FE2 auch in den Löchern und an den Strukturierungskanten vollständig ab.
Anschließend werden nun verschiedene Kontaktlöcher KL durch die Isolationsschichten geätzt, an deren Grund jeweils die leitenden Teilschichten von oberer Festelektrode, Membran, unterer Festelektrode und Silizium Substrat freigelegt werden. Die Definition der Kontaktlöcher erfolgt über einen weiteren Lithographieschritt. Die Entfernung der SiO₂-Schichten in den Kontaktlöchern wird durch einen Nassätzschritt durchgeführt, der selektiv auf SiO₂-eingestellt ist. Dabei fungiert die Polysiliziumschicht der oberen Festelektrode FE2, die oberste, Siliziumnitrid umfassende Teilschicht TSM3 der Membran, die Polysiliziumschicht FE12 der unteren Festelektrode und das Bulksiliziummaterial des Substrats als Ätzstoppschicht. Zum Freilegen der Polysiliziumschicht der Membran muss im entsprechenden Kontaktloch noch die Siliziumnitridschicht entfernt werden, was mittels eines RIE-Ätzverfahrens durchgeführt wird.
9 zeigt ein erstes Kontaktloch KL1, in dem die untere Festelektrode FE1 freigelegt ist, ein zweites Kontaktloch KL2, in dem die Polysiliziumschicht der Membran freigelegt ist, und ein drittes Kontaktloch KL3, in dem die Polysiliziumschicht der oberen Festelektrode FE2 freigelegt ist. Nicht dargestellt sind mögliche weitere Kontaktlöcher zu einer der genannten Funktionsschichten oder zum z. B. Si umfassenden Substrat SU, in das Halbleiterbauelemente oder IC Schaltungen integriert sein können.
Im nächsten Schritt werden Kontakte KO in den Kontaktlöchern erzeugt. Diese werden in dem bereits beschriebenen Verfahren erzeugt, bei dem eine Grundmetallisierung, eine Leitschicht und eine Deckschicht übereinander erzeugt werden. Die Grundschicht wird ganzflächig abgeschieden und strukturiert. Die Leitschicht und die Deckschicht wachsen selektiv über der strukturierten Grundmetallisierung auf. Geeignete Schichten sind beispielsweise 1 μm Aluminium für die Grundmetallisierung, 3 μm Nickel für die Leitschicht und 300 nm Au für die Deckschicht.
Im nächsten Schritt wird eine Durchbrechung DB durch das Siliziumsubstrat SU lithografisch definiert und mittels eines DRIE-Verfahrens anisotrop geätzt. Außerdem für die Durchbrechung DB vorgesehenen Flächenbereich auf der Unterseite des Substrats SU werden alle anderen Oberflächen mit einer Schutzschicht, insbesondere mit dem für die Lithographie verwendeten Lack abgedeckt. Bei dem DRIE-Verfahren dient die erste Isolationsschicht direkt auf dem Substrat als Ätzstoppschicht. 11 zeigt die Anordnung nach Herstellung der fertigen Durchbrechung DB.
Im nächsten Schritt werden nun die als Opferschichten dienenden Bereiche der Isolationsschichten IS, insbesondere im frei schwingenden Bereich zwischen unterer Festelektrode FE1, Membran und oberer Festelektrode FE2, sowie die übrigen oberflächlich aufgebrachten Isolationsschichten entfernt. Dazu wird das bereits beschriebene VHF-Verfahren eingesetzt.
12A zeigt einen ersten Querschnitt durch die auf diese Weise erhaltene Struktur, bei der das Mikrofon weitgehend fertig gestellt ist. Während der Querschnitt von 12A durch den Anschlussbereich der Membran M und den dazugehörigen Kontakt KO2 geführt ist, zeigt der Querschnitt von 12B einen Membranbereich, der beiderseits durch die Einschnitte SL von äußeren verbleibenden Flächenbereichen der die Membran bildenden Teilschichten galvanisch getrennt ist. Es zeigt sich, dass durch das isotrope VHF-Ätzverfahren ein leichtes Unterätzen der Isolationsschichten erfolgt. Dennoch bleibt im Ankerbereich, der dem äußeren Randbereich der von den Einschnitten SL definierten Membran entspricht, der ursprüngliche Schichtverbund erhalten bleibt, der den äußeren Randbereich, insbesondere den Ankerbereich, in diesem ursprünglichen Schichtverbund fixiert.
17A und 17B zeigen entsprechende Querschnitte in anderer Darstellung. In 17A zeigt sich, dass der Randbereich der Membran diesen Querschnitt beidseitig in einem Ankerbereich AA fixiert ist.
Die Herstellung eines Mikrofons gemäß einer zweiten Ausführung ist in der 13 anhand mehrerer spezifischer Verfahrensstufen in schematischen Querschnitten dargestellt. Bis zur Aufbringung der zweiten Isolationsschicht IS2 wird dazu wie im ersten Ausführungsbeispiel vorgegangen, entsprechend einem Verfahrensstand zwischen den in den 4 und 5 dargestellten Verfahrensstufen. In dieser Variante werden in der zweiten Isolationsschicht IS2 nun erste Vertiefungen V1 hergestellt. Diese werden über eine Lithografie definiert und über ein RIE-Ätzverfahren erzeugt. Das Ätzverfahren wird so eingestellt, dass die Vertiefungen V1 einen konischen Querschnitt aufweisen und am Grund der Vertiefungen die oberste Teilschicht der unteren Festelektrode erreicht wird. Die Vertiefungen weisen einen beliebigen aber vorzugsweise runden Durchmesser auf und sind entlang einer Linie parallel zum äußeren Randbereich nebeneinander im Abstand angeordnet. Der Beerich mit den Vertiefungen entspricht dem späteren Ankerbereich für die Membran. 13A zeigt die geöffneten Vertiefungen V1.
Im nächsten Schritt wird eine Trennschicht TR1 erzeugt und dazu eine zirka 50 nm dicke SiO₂-Schicht in einem TEOS-LPCVD-Verfahren abgeschieden. Die Trennschicht TR1 dient dazu, über der unteren Festelektrode eine SiO₂-Schicht mit definierter Schichtdicke zur Verfügung zu stellen. 13B zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt werden drei Teilschichten für die Membran M ganzflächig erzeugt und strukturiert. Abscheideverfahren, Materialien, Schichtdicken und Strukturierung werden wie im ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt. 13C zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Durch die Kanten bedeckende und daher oberflächenkonforme Abscheidung der Teilschichten der Membran folgen diese der Topografie der zweiten Isolationsschicht IS2, sodass sich im Bereich der Vertiefungen Ausbuchtungen SK1 der Membran ausbilden. Diese Ausbuchtungen der Membran und die untere Festelektrode sind nur durch die Trennschicht TS getrennt, in den übrigen Bereichen der Membran liegt die volle Schichtdicke der zweiten Isolationsschicht IS2 zwischen Membran und unterer Festelektrode.
Im nächsten Schritt wird die dritte Isolationsschicht IS3 wie im ersten Ausführungsbeispiel als 2 μm dicke SiO₂-Schicht ganzflächig aufgebracht. Mittels einer Lithografie und einem RIE-Ätzverfahren werden zweite Vertiefungen V2 erzeugt. Diese werden ebenfalls als runde Öffnungen mit konischem Querschnitt erzeugt und in einem Flächenbereich, der benachbart zu den ersten Ausbuchtungen SK1 aber zwischen diesen Ausbuchtungen und dem äußeren Strukturrand der Membran M angeordnet ist. Durch die konforme Abscheidung der dritten Isolationsschicht folgt diese der Topografie der Membran und bildet über den ersten Ausbuchtungen weitere Vertiefungen aus, wie in 13D dargestellt. Zur Abdeckung der in den zweiten Vertiefungen freigelegten Membranoberfläche wird nun eine zweite Trennschicht TR2 erzeugt, hier eine 50 nm dicke TEOS-LPCVD erzeugte SiO2-Schicht. 13E zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe.
Im nächsten Schritt wird entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel die obere Festelektrode FE2 als 3 μm dicke Polysiliziumschicht abgeschieden und strukturiert. 13F zeigt die Anordnung auf dieser Verfahrensstufe. Da die Polysiliziumschicht der zweiten Festelektrode FE2 der Topografie der dritten Isolationsschicht IS3 beziehungsweise der darüber aufgebrachten Trennschicht TR2 folgt, bildet sie im Bereich der zweiten Vertiefungen V2 und in den daneben angeordneten, den ersten Ausbuchtungen entsprechenden Vertiefungen zweite Ausbuchtungen SK2 aus.
Die Erzeugung der Kontakte, das Freiätzen der Durchbrechung DB und das Entfernen der Opferschichten erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel. Ein auf diese Weise gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel fertig gestelltes Mikrofon ist in den 14A und 14B im Querschnitt dargestellt. Aus der Figur ist gut zu erkennen, dass die Membran im Ankerbereich vertikal fixiert ist, indem die ersten Ausbuchtungen SK1 der Membran M auf der unteren Festelektrode FE1 aufliegen und die Membran von oben durch die zweiten Ausbuchtungen SK2 der oberen Festelektrode FE2 mit nur geringem vertikalen Spielraum fixiert sind. Die als Opferschichten dienenden Isolationsschichten IS sind in diesem Ausführungsbeispiel so weit zurückgeätzt, dass die Membran auch im Randbereich vollständig freigelegt ist. Dementsprechend ist die Membran M, wie in 14A ersichtlich, lateral, also in der Schichtebene frei beweglich.
14B zeigt einen Schnitt durch den zweiten Kontakt KO2 und den dazugehörigen Anschlussbereich der Membran M, in dem die Membranschichten nach außen geführt sind. Vorzugsweise ist die Membran nur im Anschlussbereich im ursprünglichen Schichtverbund, also zwischen zweiter und dritter Isolationsschicht fixiert. Die Flächenbereiche von ersten und zweiten Ausbuchtungen, entsprechend der Summe der Querschnitte sind minimiert, um die Kapazitäten zwischen Membran und den beiden Festelektroden nicht zu stark zu beeinflussen, sodass diese nach wie vor im Wesentlichen durch den Abstand zwischen den Festelektroden und der Membran bestimmt sind. In der 14 ist außerdem ein Substratkontakt KOS dargestellt, der zusammen mit den übrigen Kontakten hergestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, im Substrat SU integrierte Bauelemente zu kontaktieren. Möglich ist es auch, auf der Substratoberfläche lediglich eine Verdrahtungsstruktur vorzusehen und mit dem Kontakt KOS zu verbinden, über die das Mikrofon verschaltet werden kann.
15A und 15B zeigen zwei schematische Querschnitte durch eine weitere Ausführungsvariante des Mikrofons. Diese ist eine Kombination aus erstem und zweitem Ausführungsbeispiel. Zum einen zeichnet sie sich dadurch aus, dass die Membran im Randbereich im ursprünglichen Schichtverbund fixiert ist, welcher hier den Ankerbereich AA ausbildet. Weiterhin werden in dieser Ausführungsform erste Ausbuchtungen in den Membranteilschichten vorgesehen, die jedoch außerhalb des frei schwingenden Bereichs, der durch die Einschnitte SL definiert ist, angeordnet sind. Dazu wird in der zweiten Isolationsschicht IS2 (zwischen Membran und unterer Festelektrode) in einem streifenförmigen Bereich außerhalb der Einschnitte die untere Festelektrode freigelegt. Ohne Trennschicht wird anschließend die Membran erzeugt, sodass sie in der streifenförmigen strukturierten Zone in direktem Kontakt mit der unteren Festelektrode tritt.
In der dritten Isolationsschicht werden ebenfalls zweite Vertiefungen V2 erzeugt, die dem genannten streifenförmigen Bereich benachbart, aber ebenfalls außerhalb des frei schwingenden Bereichs der Membran und damit außerhalb der durch die Einschnitte SL definierten Strukturkanten der Membran angeordnet sind. Auch die zweiten Vertiefungen in der dritten Isolationsschicht können eine Strukturlinie bilden, die in der Projektion auf die Schichtebene ringförmig um die Membran geführt ist und lediglich den Anschlussbereich der Membran ausspart. Wie in 15A gezeigt ist, führen diese Strukturierungen dazu, dass außerhalb des aktiven Bereichs die untere Festelektrode und die Membran im Bereich der ersten Ausbuchtungen, sowie die obere Festelektrode FE2 im Bereich der zweiten Ausbuchtungen in direktem Kontakt miteinander stehen. Dieser direkte Kontakt garantiert, dass selbst ein zu starkes Unterätzen unter oberer Festelektrode und Membran zu einem vollständigen Freiätzen einer der Funktionsschichten führen kann. Selbst wenn die genannten Isolationsschichten vollständig entfernt sind, sind die drei Funktionsschichten noch durch den direkten Kontakt miteinander gegeneinander fixiert. 15B zeigt wieder den Schnitt durch Anschlussbereich und den dazugehörigen Kontakt KO2 der Membran. Im Anschlussbereich wird die Membran in einem schmalen Bereich aus dem aktiven Bereich hinaus verlängert und zum Kontakt KO2 geführt.
16A zeigt eine weitere Variante für die Strukturierung eines Mikrofons, bei der die Strukturkanten der Membran im äußeren Randbereich völlig freigeätzt sind. Im Ankerbereich AA ist die Membran durch erste Ausbuchtungen vertikal gegen die untere Festelektrode fixiert, während zweite Ausbuchtungen der oberen Festelektrode von oben auf den Randbereich der Membran drücken und diesen von oben her fixieren. In einem äußeren Bereich außerhalb des aktiven Bereichs sind zweite und dritte Isolationsschicht vor dem Aufbringen von Membran beziehungsweise oberer Festelektrode in einem streifenförmigen Bereich entfernt, sodass dort die Membran direkt auf der unteren Festelektrode und die obere Festelektrode direkt auf der Membran erzeugt wird und diese dort einen festen Schichtverbund miteinander bilden können.
16B zeigt im Schnitt durch den Anschlussbereich und den Kontakt der Membran, dass lediglich der Anschlussbereich einen anderen Schichtverbund aufweist. Die Membran ist nur im Anschlussbereich vollständig von Isolationsschichten umgeben und so besser gegen die beiden Festelektroden isoliert.
18 zeigt eine mögliche Strukturierung der Membran M in schematischer Draufsicht. Die Membran ist über der schraffiert dargestellten zweiten Isolationsschicht IS2 aufgebracht, deren verdeckte Strukturkanten gestrichelt dargestellt sind. Der Randbereich der Membran liegt also auf der zweiten Isolationsschicht auf und kann einen Ankerbereich ausbilden. Der Einschnitt SL trennt äußere Bereiche AU der Membranteilschichten von der (elektrisch) aktiven Membran. der Anschlussbereich ist zu einem Kontakt KO geleitet. Die nicht dargestellte dritte Isolationsschicht IS kann ähnlich wie die zweite Isolationsschicht IS strukturiert sein, so dass deren Ankerbereiche flächenmäßig übereinstimmen und die Membran dort von oben und unten fixieren.
19 zeigt eine Membran M, deren Randbereich frei von darunter liegender zweiter Isolationsschicht IS2 ist. Der Ankerberich wird von den ersten Ausbuchtungen SK1 der Membran und den nicht dargestellten zweiten Ausbuchtungen der oberen Festelektrode gebildet. Die zweite Isolationsschicht IS2 liegt unterhalb des Außenbereichs AU der Membranteilschichten, also außerhalb des von dem Einschnitt SL begrenzten Bereichs.
Bezugszeichenliste

AA

Ankerbereich der Membran

AU

äußerer Bereich (jenseits des Einschnitts)

DB

Durchbrechung (im Substrat)

FE1

untere Festelektrode

FE2

obere Festelektrode

FS

Funktionsschicht

IS1–IS4

erste bis vierte Isolationsschicht

KL

Kontaktlöcher

KO

Kontakte

LO

Löcher

M

Membran

SK1

erste Ausbuchtung (in der Membran)

SK2

zweite Ausbuchtung (in der oberen Festelektrode)

SL

Einschnitt

SU

Substrat

TA

Anschlussbereich der Membran

TS

Teilschichten des Schichtaufbaus

V1, V2

Vertiefungen in 2. und 3. Isolationsschicht

TR

Trennschicht

KOS

Substratkontakt

Claims

Mikrofon in miniaturisierter MEMS Bauweise – mit einem Silizium umfassenden Substrat (SU) und einem darauf angeordneten strukturierten Schichtaufbau, – wobei der Schichtaufbau übereinander angeordnete Teilschichten für die folgenden Funktionsschichten umfasst: – eine untere Festelektrode (FE1), darüber – eine Membran (M) und darüber – eine obere Festelektrode (FE2), – bei dem die Membran flächenmäßig aufgeteilt ist in – einen äußeren Randbereich – einen frei schwingenden Bereich, der vom äußeren Randbereich vollständig umschlossen ist, und in dem die Membran plan ausgebildet ist – einen Ankerbereich (AA) innerhalb des äußeren Randbereichs, in dem die Membran zwischen unterer und oberer Festelektrode vertikal fixiert ist, – einen Anschlussbereich innerhalb des äußeren Randbereichs, in dem eine elektrische Zuleitung zur Membran angeordnet ist, und – bei dem durch das Substrat hindurch unter dem gesamten freischwingenden Bereich eine Durchbrechung (DB) angeordnet ist und bei dem der Ankerbereich außerhalb des Flächenbereichs der Durchbrechung und über einem inneren Randbereich des Substrats angeordnet ist, – bei dem die Membran im Ankerbereich eine erste Ausbuchtung aufweist, mit der sie sich auf der unteren Festelektrode abstützt, und bei dem die obere Festelektrode im Ankerbereich eine zweite Ausbuchtung aufweist, mit der sich die obere Festelektrode auf der Membran abstützt.
Mikrofon nach Anspruch 1, bei dem erste und zweite Ausbuchtungen (SK1, SK2) nur lose auf der jeweils benachbarten Teilschicht des Schichtaufbaus aufliegen, so dass die Membran (M) im Ankerbereich (AA) innerhalb der Schichtebene frei beweglich, gegen eine vertikale Auslenkung aber fixiert ist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die die Membran (M) bildenden Teilschichten durch einen außerhalb des äußeren Randbereichs verlaufenden, den Anschlussbereich aussparenden Einschnitt von den übrigen Flächenbereichen der entsprechenden Teilschichten galvanisch getrennt sind.
Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest außerhalb des von dem Einschnitt umschlossenen Bereichs Isolationsschichten zwischen unterer Festelektrode und Membran sowie zwischen Membran und oberer Festelektrode angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons in MEMS Bauweise mit den Schritten a) auf einem Substrat werden übereinander abgeschieden: eine erste Isolationsschicht sowie eine oder mehrere Teilschichten für eine untere Festelektrode b) die Teilschichten der unteren Festelektrode werden durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert c) über der unteren Festelektrode werden abgeschieden: eine zweite Isolationsschicht sowie eine oder mehrere Teilschichten für eine Membran c1) in der zweiten Isolationsschicht werden außerhalb des aktiven Bereichs erste Sacklöcher erzeugt c2) die Teilschichten der Membran werden kantenbedeckend so abgeschieden, dass sie auch in den Sacklöchern der Topographie der zweiten Isolationsschicht folgen und dort Ausbuchtungen ausbilden d) die Teilschichten der Membran werden durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert e) über der Membran werden abgeschieden: eine dritte Isolationsschicht sowie zumindest eine Teilschicht für eine obere Festelektrode f) die zumindest eine Teilschicht der oberen Festelektrode wird durch ein lithographisches Ätzverfahren strukturiert g) über der oberen Festelektrode wird eine vierte Isolationsschicht erzeugt h) es werden Kontaktlöcher zu elektrisch leitenden Teilschichten von unterer Festelektrode, Membran und oberer Festelektrode geätzt und darin Kontakte abgeschieden i) durch das Substrat hindurch wird unterhalb eines aktiven Bereichs der Membran eine durchgehende Durchbrechung geätzt j) die Isolationsschichten werden im aktiven Bereich durch isotropes Nassätzen entfernt.
Verfahren nach Anspruch 5, – bei dem im Verfahrensschritt c) vor dem Aufbringen der Membran die Oberfläche der zweiten Isolationsschicht planarisiert wird – bei dem die dritte Isolationsschicht kantenbedeckend erzeugt wird, so dass sie auch in den Sacklöchern der Topographie der Membran folgt – bei dem in der dritten Isolationsschicht außerhalb des aktiven Bereichs zweite Sacklöcher erzeugt werden – bei dem die zumindest eine Teilschicht der oberen Festelektrode kantenbedeckend so abgeschieden wird, dass sie auch in den Sacklöchern der Topographie der dritten Isolationsschicht folgt und dort zweite Ausbuchtungen ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Teilschichten und die Isolationsschichten mittels LPCVD Verfahren abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, bei dem im Verfahrenschritt a) als Isolationsschicht eine SiO₂ Schicht und als Teilschichten der unteren Festelektrode eine Siliziumnitridschicht und eine Polysiliziumschicht abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–8, bei dem im Verfahrenschritt c) als Teilschichten der Membran eine Siliziumnitridschicht, darüber eine Polysiliziumschicht und darüber eine weitere Siliziumnitridschicht abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–9, – bei dem in den Strukturierungsschritten anisotrope Ätzverfahren eingesetzt werden, wobei die Teilschichten so strukturiert werden, dass alle Funktionsschichten im gesamten aktiven Bereich überlappen, – bei dem innerhalb des aktiven Bereichs in den Teilschichten der unteren und der oberen Festelektrode bei der Strukturierung durchgehende Löcher erzeugt werden, – bei dem in allen Teilschichten der Membran im Verfahrensschritt d) Einschnitte erzeugt werden, die einen äußeren Randbereich der Membran mit Ausnahme eines Anschlussbereichs umschließen, dabei den aktiven Bereich der Membran definieren und diesen galvanisch von übrigen Schichtbereichen der Membran galvanisch trennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–10, – bei dem die Isolationsschichten im Verfahrensschritt j) mittels Fluorwasserstoff enthaltendem Dampf in einem VHF Verfahren geätzt werden, – wobei zumindest in einem freischwingenden Bereich der Membran die Isolationsschichten zwischen Membran und der oberen und unteren Festelektrode entfernt werden – wobei die Membran in einem Ankerbereich innerhalb des äußeren Randbereichs der Membran zwischen oberer und unterer Festelektrode oder zwischen zweiter und dritter Isolationsschicht fixiert bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–11, bei dem im Verfahrensschritt j) die Membran innerhalb der von den Einschnitten eingeschlossenen Fläche inklusive des Randbereichs aber mit Ausnahme des Anschlussbereichs vollständig von anliegenden Isolationsschichten freigeätzt wird, so dass die Membran in der Schichtebene lateral beweglich wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–11, bei dem im Verfahrensschritt j) die Membran innerhalb der Einschnitte nur so weit freigeätzt wird, dass im äußeren Randbereich der Membran der komplette ursprüngliche Schichtverbund erhalten bleibt und der äußere Randbereich der Membran somit im Schichtverbund fixiert bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–13, bei dem die zweite und dritte Isolationsschicht nach dem Aufbringen so strukturiert werden, dass die jeweilige Isolationsschicht zumindest abschnittsweise innerhalb eines äußeren, jenseits der Einschnitte angeordneten Bereichs entfernt wird, so dass dort alle Funktionsschichten direkt übereinander aufgebracht werden können.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem im genannten äußeren Bereich die jeweilige Isolationsschicht entlang eines den Einschnitten im Abstand folgenden, weitgehend geschlossenen Streifens entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–15, bei dem nach Verfahrensschritt j) die Oberflächen mit einer reaktiven, Fluor haltigen Verbindung behandelt werden, so dass sich auf reaktiven Oberflächen eine Fluor haltige Passivierungsschicht ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–16, bei dem die Schichtabscheidungen zumindest von einzelnen Teilschichten so geführt werden, dass auch auf der Rückseite des Substrats eine entsprechende Teilschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–17, bei dem in den Ätzprozessen der Verfahrensschritte b), d), f) und h) reaktives Ionenätzen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–18, – bei dem zur Herstellung der Kontakte zunächst eine Grundmetallisierung ganzflächig abgeschieden wird, – bei dem die Grundmetallisierung außerhalb der Kontaktlöcher durch ein Lithographisches Ätzverfahren entfernt wird, – bei dem über der Grundmetallisierung durch ein galvanisches oder stromloses Verfahren eine Leitschicht abgeschieden wird, – bei dem über der weiteren Metallschicht eine bond- und lötbare Deckschicht aufgebracht wird.